風(fēng)化巖地質(zhì)條件下帶鎖扣鋼管樁施工工藝

陳艷平

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 516211）

1 概述

廣州市洲頭咀隧道工程過(guò)珠江段采用沉管法施工，沉管管節(jié)共4節(jié)，分兩批在芳村端軸線干塢內(nèi)預(yù)制后沉放對(duì)接。與沉管段銜接的岸上段結(jié)構(gòu)位于珠江水域范圍內(nèi)，采用模袋砂作為圍堰后明挖施工。基坑平面布置圖如圖1所示，基坑1-1剖面圖如圖2所示。

圖1 圍堰基坑平面圖

圖2 圍堰基坑剖面圖

根據(jù)平面圖和剖面圖，該基坑為水中基坑，基坑頂標(biāo)高7.8 m，底標(biāo)高-11.82 m，基坑深度為19.62 m。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（、全新統(tǒng)海陸交互相沉積層（4）、上更新統(tǒng)沖積層（、第四系殘積層（Qel）及白堊系上統(tǒng)三水組西濠段（全-強(qiáng)-弱-微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或砂礫巖。從地質(zhì)條件來(lái)看，江底以下靠近基坑深度頂標(biāo)高范圍內(nèi)存在強(qiáng)透水的粉砂層，圍堰基坑設(shè)計(jì)水位按20年一遇洪潮水位7.49 m考慮，基坑坑底水位擬定在坑底以下0.5 m位置，則在該洪水位下，圍堰外側(cè)水位與坑底降水目標(biāo)水位水頭差約19.8 m。因此該工程的關(guān)鍵點(diǎn)在于選擇合適的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，尤其是確保基坑止水措施可靠且有效。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)及鎖扣鋼管樁施工工藝

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]的要求，臨時(shí)圍堰工程等級(jí)按臨時(shí)性水工建筑物級(jí)別劃分為4級(jí)。該工程圍堰頂標(biāo)高與珠江堤岸頂標(biāo)高相同，取7.8 m。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，圍堰位置需要開(kāi)挖至沉管基槽底標(biāo)高-11.82 m，該位置基坑深度為19.62 m。圍堰防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇洪水位7.49 m為設(shè)計(jì)水位。圍堰施工前先進(jìn)行圍堰基礎(chǔ)平整，根據(jù)地質(zhì)條件圍堰位置河床清淤整平后標(biāo)高確定為-2.0 m，在設(shè)計(jì)水位條件下水深9.49 m，圍堰高度為9.8 m。

圍堰可選擇種類較多，如土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼圍堰等，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性等多因素綜合比選后，由于模袋砂圍堰具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性好、安全可靠且便于機(jī)械快速化施工的優(yōu)點(diǎn)，因此圍堰方案采用模袋砂圍堰。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程基坑深度19.62 m，屬于超深基坑，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求較高。由于圍堰底標(biāo)高以下還要下挖9.82 m，加上模袋砂圍堰本身透水性很強(qiáng)，所以不能依賴圍堰本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，必須另外實(shí)施更具可靠性的支護(hù)結(jié)構(gòu)。基坑開(kāi)挖后設(shè)計(jì)水位距離坑底19.31 m，高水位差帶來(lái)的水壓力巨大，因此所選用的支護(hù)結(jié)構(gòu)其止水能力必須十分安全可靠。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)采用在外圍模袋砂圍堰圍閉后，圍堰內(nèi)吹填砂至圍堰頂標(biāo)高，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)。

支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮以下關(guān)鍵因素：

（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)除具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性外，在高水頭壓力條件下應(yīng)具有可靠的止水能力。

（2）考慮到岸上段隧道結(jié)構(gòu)施工完成后，還要拆除圍堰進(jìn)行沉管基槽開(kāi)挖以及周邊河床恢復(fù)，因此所選用的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)能方便拆除，且必須滿足水下拆除作業(yè)要求。

普通的鋼筋混凝土鉆（沖）孔灌注樁或地下連續(xù)墻能滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的要求，但是由于水下拆除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，無(wú)論采用切割或爆破方法，均存在較大的困難和安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不宜選用。鋼管樁樁身材料強(qiáng)度高，可滿足受力要求，同時(shí)鋼管樁拆除時(shí)可采用潛水員水下切割鋼管樁的辦法，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)割除鋼筋籠大大降低，且具有方便快捷的特點(diǎn)。鋼管樁之間的止水可以通過(guò)在樁后設(shè)置水泥攪拌樁或者高壓旋噴樁止水帷幕，也可以考慮通過(guò)在鋼管樁之間設(shè)置互相嵌鎖的鎖扣達(dá)到密封止水的目的。結(jié)合地質(zhì)條件，由于該工程止水措施的有效性和可靠性十分關(guān)鍵，最終選擇后者。經(jīng)計(jì)算分析，采用1000 mm壁厚12 mm鋼管樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)受力需要及鎖扣施工的要求，鋼管樁之間的間距為1 248 mm,樁頂設(shè)置1 400 mm寬度的冠梁，如圖3所示。

圖3 支護(hù)鋼管樁布置圖（單位mm）

2.3 鎖扣鋼管樁施工工藝

在一般軟土地層中，普通的鋼管樁施工可以采用靜壓或錘擊的工藝施工。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算需要，該工程鋼管樁需要嵌入強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，其標(biāo)貫擊數(shù)較高（見(jiàn)表1），且因?yàn)殇摴軜稁в墟i扣，為鋼管樁的薄弱環(huán)節(jié)，因此無(wú)法采用靜壓或錘擊沉管的施工工藝。在類似這樣堅(jiān)實(shí)的風(fēng)化巖地質(zhì)條件下，可以采用先成孔再下放鋼管，最后灌注混凝土的辦法施工。

表1 嵌入巖層參數(shù)（泥質(zhì)粉砂巖）

但如采用先逐一造孔，再下放鋼管的施工工藝，存在以下難題：

（1）成孔應(yīng)連續(xù)方可保證鋼管樁施工時(shí)，后續(xù)鋼管樁鎖扣成功插入已經(jīng)施工的鋼管樁，且嵌鎖緊密。但如果采用逐孔成孔的方法施工，以現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備條件，不管采用鉆（或沖）孔工藝，逐孔施工數(shù)量多、地質(zhì)條件變化大，后續(xù)孔施工時(shí)難以保證不對(duì)先序孔已經(jīng)施工的鋼管樁鎖扣造成損害。

（2）灌注嵌固用的混凝土?xí)r，必須確保混凝土無(wú)法進(jìn)入鎖扣，否則混凝土堵塞鎖孔將導(dǎo)致后續(xù)鋼管樁無(wú)法施工。

為解決逐孔成孔容易造成鎖扣損壞的問(wèn)題，該工程采用地下連續(xù)墻成槽設(shè)備用于成孔作業(yè)。以每5根鋼管樁為一組作為一個(gè)槽段，單元槽段長(zhǎng)度超過(guò)每組鋼管樁施工所需要的實(shí)際長(zhǎng)度（該工程擬定為6 320 mm），這樣成孔作業(yè)的個(gè)數(shù)少于逐孔成孔，既加快了施工速度，又從概率上減少了損壞鎖扣的可能。單元槽段長(zhǎng)度稍微加長(zhǎng)，后續(xù)槽段施工時(shí)也可以避免損壞已經(jīng)施工鋼管樁鎖扣。鋼管樁槽段布置具體如圖4所示。

圖4 鋼管樁槽段布置圖（單位：mm）

為解決混凝土灌注時(shí)，混凝土容易竄入鎖扣內(nèi)的問(wèn)題，特在每組鋼管樁的首尾兩根鋼管樁上焊接了各兩片止?jié){鋼板（見(jiàn)圖4），這兩片止?jié){鋼板與槽段長(zhǎng)度方向垂直，從鋼管樁底部延伸至基坑底面以上，高出混凝土的理論灌注高度2 m。實(shí)際灌注混凝土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制灌注量，以免混凝土越過(guò)止?jié){鋼板。圖5為鎖扣鋼管樁施工過(guò)程照片，圖6為基坑開(kāi)挖過(guò)程中照片。根據(jù)鎖扣鋼管樁施工過(guò)程及后來(lái)基坑開(kāi)挖后的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看，該施工工藝施工快速、簡(jiǎn)單、止水效果良好，在基坑開(kāi)挖后近一年內(nèi)成功為主體結(jié)構(gòu)施工保駕護(hù)航。

3 結(jié)語(yǔ)

該工程結(jié)合特定的地質(zhì)條件以及特定的支護(hù)設(shè)計(jì)要求，充分利用現(xiàn)有的設(shè)備，擬定了風(fēng)化巖地質(zhì)條件下帶鎖扣鋼管樁的施工工藝，實(shí)踐證明該工藝施工便利、安全可靠，值得類似工程借鑒推廣。

圖5 鎖扣鋼管樁施工

圖6 基坑開(kāi)挖